1.3 实现问题的求解过程
在程序设计的发展过程中，特别是在20世纪70年代初期，各种大型、复杂的软件系统陆续问世，随着软件系统规模的扩大和复杂性的增加，软件的开销（编写程序耗费的大量的人力、财力）也惊人地增加，而产品的可靠性和可维护性却明显地降低了，人们把程序设计的这种困境叫做“软件危机”。
上述问题促使人们开始对程序设计方法进行研究，1969年Dijkstra首先提出了结构化程序设计的思想与概念，强调从程序结构上来研究与改变传统的设计方法，经计算机科学工作者的实践，结构化程序设计得到了普遍应用，程序设计也逐步走向规范化和工程化。面向对象程序设计是在结构化程序设计的基础上发展起来的一种新的程序设计方法。本书中主要介绍结构化程序设计方法。
1.3.1 结构化程序设计基本思想
结构化程序设计也称为面向过程程序设计，它采用自顶向下、逐步求精和模块化的结构化分析方法。
在求解一个问题时一般不能立即写出详细的算法或程序，但可以很容易写出一级算法，即求问题解的轮廓，然后对一级算法逐步求精，把它的某些步骤扩展成更详细的步骤。细化过程中，一方面加入详细算法，一方面明确数据，直到根据这个算法可以写出程序为止。自顶向下、逐步求精的方法符合人类解决复杂问题的思维方式，用先全局后局部、先整体后细节、先抽象后具体的逐步求精过程开发出的程序层次结构清晰，容易阅读、理解和测试。
程序设计中还常采用模块化的设计方法，当任务比较复杂时，往往按问题的需要，将其分解为若干个子任务，这些子任务还可以划分为更小、更简单的子任务。这样，对于大程序将其化整为零编写，由多个人共同进行程序的开发，或者是对那些重复使用的程序段，将其进行独立设计，使其达到计算机可以重复执行，而设计人员又不必重复去编写的目的，避免重复设计，消除因交叉设计而产生的错误。这样划分的程序段被称为程序模块。这种程序设计的方式被称为模块化程序设计。以这种方式设计的程序，可以使其达到层次分明、结构简洁而又严谨的目的，从而提高程序设计的速度和质量。
程序中的子模块在C语言中是用函数来实现的。一个子模块用一个函数实现，完成一个功能。每个子模块的大小要适度。
1.3.2 三种基本结构
结构化程序设计用三种基本结构，通过组合和嵌套就能实现任何单入口、单出口的程序。这三种基本结构是顺序结构、选择结构和循环结构。
1）顺序结构：按照顺序依次执行A、B程序块。顺序结构是一种最简单的基本结构，见图1-2。
2）选择结构：又称分支结构，见图1-3，根据给定的条件P进行判断，由判断的结果决定执行两个分支中的一个分支。当P为真时执行A程序块，否则执行B程序块。无论条件P是否成立，A和B程序块只能有一个被执行到，执行之后就离开了该选择结构。当B为空时，条件P为假时不执行任何操作。
3）循环结构：又称为重复结构，给定条件成立时反复执行某一程序段。在图1-4中，当P为真时反复执行A程序块，每执行一次测试一次P，直到P为假，跳出循环结构。
虽然从理论上讲只用上述三种基本控制结构就可以实现任何单入口、单出口的程序，但是为了实际使用方便起见，常常还允许使用“直到型”循环结构和多分支结构：
1）“直到型”循环结构：先执行A程序块，执行完A程序块后再判断P，如果条件P为真，则反复执行A程序块，直到P不成立则跳出循环，见图1-5。
2）多分支结构：根据I的取值决定执行A1、A2…或An，见图1-6。
1.3.3 结构化程序设计的过程
与解决其他问题一样，程序设计时，首先要明确需要解决的问题是什么，已知条件和数据有哪些，如何获得这些数据。然后才能确定解决问题的方法和策略，即选择适当的计算模型、算法和数据结构，并考虑如何检验所实现的程序是否符合设计目标的各项要求。之后才能进一步考虑使用某种计算机语言进行编程，把上述思想和设计转化为程序。根据以上所述，对于一个不太复杂的问题，程序设计的一般过程可以分为问题分析、算法设计、代码编写、测试与调试几个步骤。
1．问题分析
问题分析是程序设计的第一步，在这个阶段，要明确和理解所要解决的问题是什么，明确程序运行的环境和方式以及相关的限制条件。问题分析的基本内容包括：
确定程序的功能和性能。
程序要产生的输出结果。
所需要输入的数据。
数据的来源、去向、内容、范围及其格式。
把输入数据转化为输出结果的方法。
进行问题分析时，很多编程新手喜欢先确定输入数据，然后再确定预期的输出结果。而专业的程序设计员却首先会考虑程序预期的输出结果，因为得到预期的输出是构造一个程序的目的。
2．算法设计
（1）算法的概念
在算法设计这个阶段，要确定和选择一个解决问题的算法。广义地说，所谓算法就是解决问题的方法和步骤，任何计算问题的答案都是按指定的顺序执行一系列动作的结果，按照动作执行的顺序解决问题的过程称为算法。程序设计依赖于算法，而算法是不依赖于程序而独立存在的。只要掌握了算法设计，就可以用学过的任何一种计算机语言去实现这个算法，只要有了正确的算法，实现起来并不困难。
对于一个问题，具体算法有很多种可供选择。但有的算法执行的步骤多，有的算法执行的步骤相对较少。因此为了有效地进行解题，不仅要保证算法正确，还要考虑算法的质量。
例如用公式y=x2-2x+3计算x=0，1，2，3，4，5所对应的y值，一种比较原始的算法是：
（1）置x为0;
（2）计算y值;
（3）输出x,y值;
…
（18）置x为5;
（19）计算y值;
（20）输出x，y值;
（21）停止。
这样的算法虽然正确，但很繁琐，而且如果求x=0，1，2，…，100所对应的y值要写304个步骤，显然是不可取的。
由于对不同x值计算y值的过程是一样的，所有计算机高级语言中都有循环语句，因此可以使用如下算法：
（1）置x为0;
（2）置x的上界n=100;
（3）当x≤n时，重复执行3.1，3.2，3.3步，否则，算法停止。
（3.1）用公式计算y值;
（3.2）打印一组x和y的值;
（3.3）x值增加1。
这个算法不仅简洁，而且有很好的通用性和灵活性。如果求x=0，1，2，…，200所对应的y值，只需在第2步中把x的上界n=100改为n=200即可。
（2）算法的表示
可以采用图形、语言等很多方法来描述一个算法，不论是哪一类表示方法，对它们的基本要求都是能够提供对算法没有二义性的描述，从而在编程阶段能把设计的算法直接翻译成程序。常用的表示算法的工具有流程图、N-S图、伪代码等。
1）流程图。
流程图是用具有专门含义的符号（如矩形、菱形、椭圆等）书写的，这些符号用称为“流程线”的箭头连接。流程图对于表示算法是非常有用的，它可以清晰地反映控制结构的运行过程，描绘直观，初学者容易掌握。它的缺点是对流程线的使用没有严格限制，使用者可以毫不受限制地使流程任意转来转去，当流程图比较复杂时难以阅读。见图1-7。
2）N-S图。
N-S图是美国学者I.Nassi和B.Shneiderman提出的一种流程图。N-S图取消了流程线，全部算法写在一个矩形框内，该框内还可以包含其他从属于它的框。N-S图是一种结构化流程图，根据N-S图编写的程序一定是结构化的程序。见图1-8。
3）伪代码（Program Design Language，PDL）。
与流程图一样，伪代码对程序员表示算法特别有用。伪代码不是实际的程序设计语言，而是使用一种结构化程序设计语言的语法控制框架，内部却可灵活使用自然语言来表示各种操作条件和过程。伪代码与程序设计语言的差别在于，伪代码的语句中嵌有自然语言的叙述，它是不能被编译的。伪代码比流程图更灵活，易于修改，但不标准。如图1-9所示。
（3）采用自顶向下、逐步求精的方法构造算法
一般情况下，多数问题的一级算法都包含三个部分：
输入数据
计算结果
显示结果
该算法结构图如图1-10所示。
这里只用了顺序结构，即所列出的步骤是按顺序执行的。例如，如果根据给定的半径计算圆的周长，则一级算法变为：
设半径值
用公式C=2πr计算周长
显示计算结果C
对于一般简单的计算，一级算法就足够了，但是对于一些比较复杂的问题，有可能要对一级算法进行逐步分解求精。例如输入10个学生的身高，计算每个学生与平均身高的差，一级算法如图1-11所示。
要计算每个学生与平均身高的差，首先要计算10个学生身高的平均值，因此对一级算法中的第二个模块进行细分，得到二级算法，二级算法结构图采用了从上到下的树形结构，如图1-12所示。
3．代码编写
编程就是将选定的算法从非计算机语言的描述形式转换为计算机语言的语句形式描述出来。C语言中有实现顺序、选择、循环等不同控制结构的语句，这将在后续章节中学习。
4．测试与调试
编程完成以后，首先应静态审查程序，即由人工“代替”或“模拟”计算机，对程序进行仔细检查，然后将高级语言源程序输入计算机，经过编译、连接，然后运行。在编译、连接及运行时如果在某一步发现错误，必须找到错误并改正以后再开始上述过程，直到得到正确结果为止。
